可以滿足RF功率測量的對數(shù)放大器的設(shè)計

對數(shù)放大器(通常稱為對數(shù)放大器，有時稱為對數(shù)檢測器)是RF電路和電光接口中使用的模擬元件。其傳遞函數(shù)在概念上很簡單：輸出電壓或電流與輸入電壓或電流的對數(shù)成正比(圖1)。它在60到80分貝(通常)的輸入范圍內(nèi)實現(xiàn)這種輸入/輸出關(guān)系，但在某些情況下它可以大到或?qū)挼?20分貝;一些對數(shù)放大器甚至達(dá)到160 dB的動態(tài)范圍。雖然它被稱為“放大器”，但它不是習(xí)慣意義上的“放大器”;它實際上是一個線性到對數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖1：對數(shù)放大器或轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出電流或電壓信號( Y軸)，與輸入電流的對數(shù)或電壓信號(X軸)成正比;請注意，對于等于或低于零的輸入，它是未定義的，盡管對數(shù)放大器有這種限制的方法。

考慮到所有對組件的重視，故意將非線性組件置于系統(tǒng)中可能會適得其反。電路線性度和在很寬的范圍內(nèi)產(chǎn)生的低失真。對數(shù)放大器是設(shè)計的一部分，但它通常不直接在信號鏈中。在RF電路中，它通常是閉環(huán)控制的一部分，它通過自動增益控制(AGC)調(diào)節(jié)接收通道增益，通過在寬范圍內(nèi)測量輸入信號強(qiáng)度來維持通道中接近恒定的信號電平(RSSI) - 接收信號強(qiáng)度指示器)，圖2，以及控制發(fā)射功率。在光學(xué)電路中，它用于監(jiān)視激光二極管的電流，并根據(jù)溫度和其他操作因素調(diào)整變化。

圖2：正如此FM接收機(jī)框圖所示，對數(shù)放大器通常用于接收機(jī)的AGC反饋環(huán)路，以維持信號電平盡管輸入信號強(qiáng)度范圍很廣，但在很窄的范圍內(nèi)。

盡管對于等于或小于零的參數(shù)，對數(shù)函數(shù)未定義，但實際電路確實具有非正信號。因此，對數(shù)放大器設(shè)計人員使用各種技術(shù)來解決這一局限。對數(shù)放大器及其應(yīng)用分為三大類：

DC對數(shù)放大器(“DC”有點用詞不當(dāng))用于緩慢變化的信號，最高可達(dá)1 MHz。它用于光路功率控制，以及醫(yī)療，化學(xué)和生物儀器。

當(dāng)需要某種信號壓縮時，基帶對數(shù)放大器用于音頻和視頻電路，以及接收器信號鏈的IF級和超聲電路的信號處理路徑。對于正輸入信號或負(fù)輸入信號，它具有對稱輸出，輸出對于正輸入為正，對于負(fù)輸入為負(fù)。

解調(diào)對數(shù)放大器既壓縮和解調(diào)RF信號，其輸出為整流信號包絡(luò)的對數(shù)。該對數(shù)放大器用于RF收發(fā)器應(yīng)用，其中接收的RF信號強(qiáng)度用于控制發(fā)射器輸出功率。輸出基于輸入的絕對值，無論輸入是正還是負(fù)，都是正的。

[注意，對數(shù)放大器與另一個非線性模擬不同放大器，限幅放大器。該器件有時稱為削波放大器，在其大部分范圍內(nèi)都是線性的。但是，當(dāng)輸入接近正或負(fù)最大值時，放大器增益開始下降和限制。因此，這個放大器“軟限制”并且相對優(yōu)雅地達(dá)到最大輸出，而不是僅僅使輸出硬飽和 - 這會導(dǎo)致嚴(yán)重失真并且放大器可能需要相對長的時間才能恢復(fù)。當(dāng)輸入返回正常范圍時，輸出也會快速返回線性模式。]對數(shù)放大器設(shè)計

對數(shù)放大器的核心是基于二極管PN結(jié)的電流通過和電壓之間眾所周知的對數(shù)關(guān)系(圖3左)，并與實際電路中的運算放大器結(jié)合使用，(圖3右)。從這個基本的物理原理開始，對數(shù)放大器使用許多拓?fù)浜团渲?，每個拓?fù)浜团渲迷诰群蛶捯蟮母鞣N性能屬性和優(yōu)先級之間提供折衷。雖然內(nèi)部細(xì)節(jié)可能與對數(shù)放大器用戶沒有直接關(guān)系，但它們確實會影響對數(shù)放大器和應(yīng)用程序之間的匹配。提供高精度傳遞函數(shù)的對數(shù)放大器 - 某些應(yīng)用所需的特性，但在其他應(yīng)用中則不需要 - 通常稱為“線性dB”對數(shù)放大器。

圖3：二極管眾所周知的電流與電壓關(guān)系是幾乎所有對數(shù)放大器設(shè)計的基礎(chǔ)(左圖);為了利用這種二極管關(guān)系，它被放置在基本運算放大器設(shè)計的反饋環(huán)路中(右)。

對于RF應(yīng)用，連續(xù)壓縮對數(shù)放大器使用多級放大和漸進(jìn)限制以分段方式形成對數(shù)的近似值。它們包括一個整流器(探測器)，每個都有5到10個低增益級(每個8 dB到12 dB)，其輸出相加以產(chǎn)生濾波電壓，這是一個分貝級的平均功率測量值，超過100 dB其他射頻應(yīng)用采用指數(shù)增益設(shè)計，增益范圍縮小(約60 dB)但精度更高;它通常包括一個探測器，其濾波輸出使探測器成為平方律器件，輸出是所施加信號的功率等效(rms)值。

光學(xué)應(yīng)用的對數(shù)放大器通常是在“DC級”中，因為它們測量與光功率相關(guān)的相對緩慢變化的電流，以控制激光二極管中的電流或光模放大器的增益。他們可能需要在大約幾皮安到幾毫安的范圍內(nèi)完成這項工作，總共九十年(10 9 ：1跨度)。

對數(shù)放大器規(guī)格

對數(shù)放大器的物理實現(xiàn)可以是集成電路(IC)，也可以是由單個芯片和分立元件組成的模塊，IC版本更小，更便宜，功耗更低，以及其他優(yōu)點，并且可以提供非常好的性能;它們通常是首選。當(dāng)IC的單一工藝技術(shù)以及單個IC不能充分滿足應(yīng)用的所有必要參數(shù)(如噪聲，帶寬或溫度范圍)時，使用混合結(jié)構(gòu)。

對數(shù)放大器具有一些規(guī)格類似于傳統(tǒng)的非對數(shù)放大器，以及一些由于設(shè)備的性質(zhì)而獨特的規(guī)格。此外，不同的供應(yīng)商可能對這些參數(shù)中的某些參數(shù)具有合法的不同定義，因此檢查數(shù)據(jù)表中的詳細(xì)信息和測試條件至關(guān)重要。頂級因素包括：

- 幾十年的動態(tài)范圍：通常以dB為單位，大多數(shù)情況下的范圍為60 dB至120 dB(或更高)。在所有情況下可能都不需要寬范圍，實現(xiàn)它可能會降低其他關(guān)鍵規(guī)格的折衷。

- 帶寬：對于今天的RF應(yīng)用，這通常是一位數(shù)的GHz范圍，但一些先進(jìn)的設(shè)備可以達(dá)到幾十GHz。

- 準(zhǔn)確度：符合完美的線性/對數(shù)傳遞函數(shù)。它通常在0.1%和1%之間，但也可以根據(jù)其測量的輸入范圍中的位置而變化。

- 靈敏度：對數(shù)放大器可以處理的最低信號值;通常，它在1 nA或1μV的范圍內(nèi)，但可以更低;它通常以dBm為單位指定，通常為50Ω。

- 偏移：當(dāng)輸入處于最小值時，對數(shù)放大器的輸出(不為0，因為log 0未定義)。

- 固定或可調(diào)節(jié)參考：某些對數(shù)放大器具有固定的比例因子，例如0.25 V/十倍(或10 mA/十倍);其他允許用戶提供確定比例因子的參考。比例因子可以相對于dB或十進(jìn)制調(diào)出，例如20 mV/dB或400 mV/decade。

- 單極性與雙極性輸入和輸出：負(fù)數(shù)的對數(shù)未定義，但許多現(xiàn)實世界的信號都是帶有負(fù)值的雙極性信號;為了克服這一限制，基帶和解調(diào)對數(shù)放大器使用偏移，平方或其他技術(shù)來允許低于0 V的輸入。

對數(shù)放大器最具挑戰(zhàn)性的兩個問題是噪聲和溫度系數(shù)(溫度系數(shù))。由于對數(shù)放大器工作數(shù)十年，因此可以處理μV，nV甚至pV范圍(或μA，nA或pA)的信號。但是，如果信號電平很低，則對數(shù)放大器的內(nèi)部噪聲可能會超過信號。對于許多RF應(yīng)用，幸運的是，只要噪聲頻譜密度足夠低(通常在nV/√Hz的數(shù)量級)，低噪聲就不像范圍和帶寬那么重要。

Tempco是最多的對數(shù)放大器設(shè)計人員和用戶的挑戰(zhàn)性參數(shù)。由于對數(shù)放大器的核心基于半導(dǎo)體結(jié)的行為，它將不可避免地隨溫度變化。對數(shù)放大器設(shè)計人員使用各種設(shè)計技術(shù)來取消，補(bǔ)償，修整或最小化溫度系數(shù)，但它仍然是影響整體性能的一個因素。與許多模擬組件一樣，對數(shù)放大器可提供詳細(xì)規(guī)格，適用于標(biāo)準(zhǔn)商用，擴(kuò)展工業(yè)甚至軍用溫度范圍。

對數(shù)放大器示例顯示規(guī)格范圍

許多模擬和混合信號IC供應(yīng)商都提供對數(shù)放大器。制造商通常提供誤差一致性概述曲線，以及詳細(xì)曲線，顯示在每個頻率下特定頻率以及低溫，標(biāo)稱溫度和高溫下的一致性。

例如，ADI公司的AD8318是一款解調(diào)對數(shù)放大器，它在級聯(lián)放大器鏈上使用逐行壓縮技術(shù)，每級都配有一個探測器單元(圖4)。它為1 MHz至6 GHz的信號提供準(zhǔn)確的對數(shù)一致性，并提供8 GHz的有用操作。輸入范圍通常為60 dB(輸入阻抗為50Ω)，誤差小于±1 dB(圖5)，而溫度穩(wěn)定性為±0.5 dB。 4 mm×4 mm，16引腳器件的額定溫度范圍為-40°C至+ 85°C，采用5 V單電源供電。

圖4：ADI公司的AD8318對數(shù)放大器采用級聯(lián)放大器鏈和逐行壓縮技術(shù)，可為1 MHz至6 GHz的信號提供精確的對數(shù)一致性，并可在8 GHz的頻率下運行。

圖5：供應(yīng)商為對數(shù)放大器提供的許多詳細(xì)性能圖之一，AD8318輸出電壓VOUT(幾乎是直線下降線)和對數(shù)一致性(“搖擺”線)對比圖.8 GHz的輸入幅度也表現(xiàn)出+ 25°C(黑色)，-40°C(藍(lán)色)和+ 85°C(紅色)的性能。

凌力爾特公司提供LT5537，寬動態(tài)范圍RF/IF探測器，工作頻率范圍為10 MHz至1 GHz(圖6)。在200 MHz時，其動態(tài)范圍為90 dB，具有±3 dB非線性(50Ω輸入)，如圖7所示。檢波器輸出電壓斜率為20 mV/dB(標(biāo)稱值)，溫度系數(shù)為0.01 dB/° C為200 MHz(典型值)。靈敏度也在200 MHz下測量，至少為-76 dBm。它采用2.7 V至5.25 V單電源供電，采用8引腳，3 mm×2 mm封裝。

圖6：LT5537在輸入和輸出之間提供對數(shù)線性關(guān)系;輸入信號由一系列限幅放大器級放大;一系列探測器單元對信號進(jìn)行整流并產(chǎn)生一個與輸入功率線性相關(guān)的輸出電流。

圖7：這是一個廣泛的概述輸出電壓和線性誤差與輸入功率的關(guān)系，在200 MHz和三個溫度下，凌力爾特公司的LT5537輔以大量更詳細(xì)的性能圖。

第三個例子是MAX4003來自Maxim Integrated。他們的MAX4003低功耗對數(shù)放大器設(shè)計用于檢測工作頻率范圍為100 MHz至2500 MHz的RF功率放大器(PA)的功率電平(圖8)。該對數(shù)放大器具有45 dB的典型動態(tài)范圍，可與無線應(yīng)用相匹配，包括蜂窩手機(jī)PA控制，無線終端設(shè)備的發(fā)射器信號強(qiáng)度控制以及其他發(fā)射機(jī)功率測量。

圖8：Maxim的MAX4003對數(shù)放大器是100 MHz至2500 MHz的低功耗元件，范圍為45 dB;包括四個10 dB放大器/限幅器級，每個級都具有10 dB的小信號增益;每個放大器/限幅器級的輸出應(yīng)用于全波整流器和檢測器級也位于第一級之前，共有五個檢測器。

該電壓測量裝置適用于 - 的典型信號范圍 - 58 dBV至-13 dBV，采用各種小型封裝，包括8焊球芯片級，μMAX和薄型QFN封裝。供應(yīng)商提供了針對不同頻率的高級概述一致性圖(圖9)，以及所引用的每個頻率的更詳細(xì)的一致性圖，包括溫度甚至封裝類型。該器件需要5.9 mA(3.0 V電源)，當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時僅需13μA。它可在-40°C至+ 85°C的整個工作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性。

圖9：封裝也會影響性能，如Maxim MAX4003數(shù)據(jù)手冊所示，VOUT和對數(shù)一致性與2.5 GHz時的輸入功率相比，采用8引腳μMAX封裝(左)及其8焊球芯片級UCSP?封裝(右)。

總結(jié)

雖然它們具有比傳統(tǒng)線性放大器更復(fù)雜和細(xì)微的規(guī)格，但對數(shù)放大器在射頻和光學(xué)系統(tǒng)中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。具有GHz范圍響應(yīng)的對數(shù)放大器用于管理接收器的前端增益以及傳輸功率，而低頻對數(shù)放大器用于測量通過光纖鏈路中的激光二極管的電流。

構(gòu)建對數(shù)放大器的方法有很多種，其中大多數(shù)是基于二極管獨特的對數(shù)電壓/電流傳遞函數(shù)的核心。然而，實用的完整對數(shù)放大器遠(yuǎn)比單獨的二極管復(fù)雜，并且必須適應(yīng)和權(quán)衡動態(tài)范圍，帶寬，溫度漂移，噪聲和其他性能參數(shù)的規(guī)格。今天的IC型對數(shù)放大器在小型，低功耗和低成本封裝中提供了出色的性能。只有在相當(dāng)專業(yè)的情況下，才能越來越多地需要混合的多芯片對數(shù)放大器實現(xiàn)。